再生混凝土界面过渡区纳观力学性能试验研究*

李文贵, 肖建庄, 黄 靓, Surendra P. Shah

(1．湖南大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410082；2. 同济大学 土木工程学院, 上海 200092；3. Center for Advanced Cement-based Materials (ACBM), Northwestern Univ，Evanston IL 60208, USA)

由于再生混凝土的力学性能相对于普通混凝土低，需要对其进行力学改性研究.杜婷和李惠强[1]采用化学浆液对再生骨料进行强化，提出再生骨料混凝土高强化的可行性.万惠文等[2]采取降低水灰比、掺入适量粉煤灰和高效减水剂，并对再生骨料表面进行处理，发现降低水胶比可使再生混凝土界面过渡区(ITZ)微观结构更加紧密.Tam等[3]发现采用二次搅拌工艺(TSMA)可以使界面过渡区结构更为致密，明显提高再生混凝土的强度和减少强度的离散性.Kong等[4]采用一种新型搅拌工艺，在浇筑前先对再生骨料表面包裹一层火山灰材料，提高再生混凝土的力学性能.朱光亚和李秋义等[5]发现骨料颗粒整形再生混凝土力学性能略低于普通混凝土的力学性能，但明显高于简单破碎再生混凝土的力学性能.另外，Noguchi等[6]通过微波热技术(Microwave Heating)使再生骨料表面的附着老砂浆脱落，用于生成高质量的再生骨料，提高再生混凝土的力学性能.

界面过渡区是混凝土中处于天然骨料和水泥砂浆之间的狭窄区域，其相关性能与众多因素有关[7].Maso[8],Elsharief[9]和Tasong[10]等采用试验研究表明，影响界面过渡区的因素有水泥材料类型、配合比、水化龄期、搅拌工艺和骨料类型形状等.相对于普通混凝土，再生混凝土的结构更为复杂，含有多种砂浆和界面过渡区[11-15].随着纳米力学测试技术的出现，可以直接测得水泥混凝土中界面过渡区的纳微观力学性能，包括弹性模量和压痕硬度等[16,17].纳米压痕技术和微硬度测试技术原理基本相似，但纳米压痕技术具有更高的分辨率，可获取更小面积的局部力学性能[18,19].本文重点对比了不同搅拌工艺下界面过渡区的微观结构和纳观力学性能，为再生混凝土的力学改性和结构层次的应用提供基础依据[20,21].

1 二次搅拌工艺

浇筑再生混凝土所用的再生粗骨料来源于位于美国芝加哥市奥黑尔(O’Hare)国际机场附近的Rossi Contractors公司.再生骨料的体积密度和吸水率分别为2.41 kg/m3和5.51%.除部分碎石外，再生骨料中天然骨料主要为石灰石.再生粗骨料的粒径分布为4.75 mm～25.0 mm.所采用的水泥类型为I型(Type I)波特兰水泥.

在二次搅拌工艺过程中，将水泥净浆包裹再生骨料，并渗透填充到再生骨料表面老砂浆的孔隙和裂缝中.三组混凝土试件的水灰比均为0.45，具体配合比如表1所示.采用钙质天然骨料浇筑的混凝土为普通混凝土.采用再生骨料浇筑的混凝土为再生混凝土.在搅拌前使再生骨料和天然骨料处于饱和面干状态，满足再生混凝土的有效水灰比要求.有关混凝土试件的浇筑和制作具体操作步骤如下：1)将饱和面干的再生骨料和所需要的水泥混合搅拌1 min；2)然后加入所需水50%，再次搅拌1 min；3)最后，将砂和剩余的水加入搅拌物中，搅拌2 min.浇筑后的混凝土试件放在温度为20 ±2℃，湿度为95%的养护室中进行标准养护.

表1 混凝土配合比和搅拌工艺

2 受压力学性能

采用型号为MTS-815混凝土刚性试验机测取混凝土试件的抗压强度.在试验之前用封端复合材料(Capping Compound)对圆柱体试件的上下端面找平，减少受压过程中试验机加载端对试件的横向摩擦力.龄期分别为7,28和90 d的试件抗压强度情况如图1(a)所示.从中可知，采用二次搅拌工艺的再生混凝土的抗压强度高于采用普通搅拌工艺的再生混凝土.另外，二次搅拌再生混凝土的抗压强度与普通混凝土十分接近.由此可知，二次搅拌工艺可以明显提高再生混凝土的抗压强度.从图1(b)可知，普通搅拌工艺的再生混凝土的峰值应力低于普通混凝土，但峰值应变大于普通混凝土.采用二次搅拌工艺再生混凝土的抗压强度与普通混凝土接近，且受压峰值应变也大于普通混凝土峰值应变.

Curing age/days

Axial strain

3 界面过渡区纳观力学性能

纳米压痕是一种用于测取混凝土纳微观力学性能的先进纳观力学测试技术.相对显微硬度计，纳米压痕可以精确地获得更小尺度的力学性能(弹性模量和压痕硬度等).纳米压痕设备Hysitron具有力与位移传感器，静电力驱动和位移电子感应器.采用Berkovich钻石三面锥形压头，锥形斜角为142.3°，压头的半径大约为600 nm.在测试中，可以设定纳米压痕压头施加的峰值力.水泥净浆的泊松比(ν)设为0.2.在试验开始前，采用标准石英试件对装置进行标定，确保压头没有受到破坏.采用纳米压痕技术测得大量的试验数据并进行数理统计分析，可以获得微观力学性能和各相材料的体积分数.混凝土界面过渡区通常含有的相材料包含孔隙、氢氧化钙晶体(CH)、水化产物(主要为水泥C-S-H凝胶)和未水化水泥等.

在对界面过渡区的各相材料进行分析时，概率分布统计分析中采用的分区尺寸Bin-size设为5.0 GPa，以弹性模量概率分布特征确定各相材料的体积分数.在纳米压痕试验中，加载方式设置为在开始5 s中，压头压入试件表面，荷载速度为240 uN/s.当荷载达到最大荷载1 200 uN后保持2 s，消除压头和试件表面接触时的徐变效应，然后以240 uN/s的速度进行卸载.为了避免相邻压痕点之间的变形相互叠加以致影响测试结果，压痕点之间的间距均设为3 um.

3.1 老界面过渡区

老界面过渡区处于天然骨料和老砂浆之间，由于水化龄期很长，可认为老界面过渡区的力学性能不受搅拌工艺影响.在老界面过渡区随机选取4个压痕区域，每个压痕区域呈网格分布，含有231个压痕点.压痕试验结果显示，4个老界面过渡区的纳米压痕结果基本相似.老界面过渡区的纳米压痕结果如图2所示.由于老界面过渡区微观结构的非均匀性以及各相材料弹性模量的差异性，老界面过渡区的弹性模量和弹性模量概率分布存在一些波动性.绘制4个老界面过渡区区域的平均弹性模量的分布特征，如图3所示.结果表明，弹性模量随着距离天然骨料表面距离的增加而增大.4个老界面过渡区的弹性模量概率分布特征如图4所示.由归一化的各相材料概率分布特征可知C-S-H凝胶是界面中水化产物的主要成分，其体积分数约为69%.

(a) 老界面压痕区域 (100 um×100 um)

(b) 弹性模量云图 (GPa)

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

3.2 新界面过渡区

3.2.1 二次搅拌工艺

在采用二次搅拌工艺的再生混凝土的新界面过渡区中，选取4个压痕区域进行纳米压痕试验研究.新界面过渡区的弹性模量云图如图5(a)和图5(b)所示.对弹性模量进行统计分析后，其分布特性情况如图5(c)和图5(d)所示.相对新砂浆，新界面过渡区含有较高的孔隙和未水化颗粒，弹性模量分布波动性较大.

(a) 新界面压痕区域 (150 um ×100 um)

(b) 弹性模量云图 (GPa)

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

采用二次搅拌工艺的新界面过渡区中4个压痕区域的弹性模量分布特性如图6所示.4个区域的弹性模量的分布特性基本一致.随着与老砂浆表面距离的增加，新界面过渡区的弹性模量未表现出明显的增加或减少趋势.C-S-H凝胶比较复杂且具有多种类型，大致可以分为低密度C-S-H和高密度C-S-H两种.根据结果分析可知，相对老界面过渡区，采用二次搅拌工艺的新界面过渡区中低密度C-S-H的体积分数要明显大于老界面过渡区.4个压痕区域的弹性模量概率分布如图7所示.在再生混凝土新界面过渡区中，C-S-H凝胶的体积分数大约为68%.

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

3.2.2 普通搅拌工艺

随机选取普通搅拌工艺的新界面过渡区中4个区域进行纳米压痕研究.新界面过渡区中的压痕区域和弹性模量云图如图8(a)和图8(b)所示.新界面过渡区的弹性模量分布如图8(c)和图8(d)所示.相对于老界面过渡区和采用二次搅拌工艺的新界面过渡区，采用普通搅拌工艺的新界面过渡区的波动性明显减少，孔隙、氢氧化钙晶体含量较多.

(a) 新界面压痕区域 (150 um ×100 um)

(b) 弹性模量云图 (GPa)

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

普通搅拌工艺的新界面过渡区的4个压痕区域的平均弹性模量分布特征如图9所示.结果表明弹性模量随着距离老砂浆表面距离的增加，新界面过渡区的弹性模量不断减小.产生这种现象的原因可能是在新界面附近积累了大量的氢氧化钙晶体，使靠近老砂浆表面附近的弹性模量偏高.4个压痕区域的平均各相材料的概率统计分析如图10所示.新界面过渡区的弹性模量高波动性一定程度上与新界面处的孔隙、氢氧化钙晶体含量有关.另外，普通搅拌工艺的新界面过渡区中C-S-H凝胶的体积分数约为55%，明显小于老界面过渡区和二次搅拌工艺的新界面过渡区中的C-S-H凝胶含量.

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

3.3 新老水泥砂浆

对再生混凝土中的老水泥砂浆和新水泥砂浆也进行了纳米压痕研究，压痕区域的面积均为100μm ×100 um，见图11(a)和图11(b).压痕点之间的水平和竖向间距均取为10 μm.老砂浆和新砂浆的弹性模量云图如图11(c)和图11(d)所示.新砂浆弹性模量的离散性较老砂浆大些，这与新砂浆的龄期小有关.新砂浆的龄期相对老砂浆小，其中的水泥未充分水化，孔隙和未水化水泥颗粒多些.

(a) 老砂浆压痕区域 (100 μm×100 μm)

(b) 新砂浆压痕区域 (100 μm×100μm)

X/μm

X/μm

对比分析新老水泥砂浆的弹性模量分布和概率分布，如图12和图13所示.新老砂浆的弹性模量平均值基本一致，但新砂浆的弹性模量的波动性要大些.关于各相材料的概率分布中，新砂浆中的孔隙和未水化水泥颗粒明显多些.新老水泥砂浆中的水泥凝胶中的低密度C-S-H和高密度C-S-H的体积含量存在差异.新砂浆中的低密度C-S-H的体积分数明显高于老砂浆中的分数，表明水泥砂浆中低密度C-S-H和高密度的C-S-H含量与水化龄期有关.

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

4 力学性能与微观结构

由于骨料周围存在壁效应(wall effect)，使得界面过渡区的水灰比相对较高，在界面过渡区附近生成大量的微裂缝和孔隙，成为混凝土中的薄弱环节.用不同搅拌工艺的再生混凝土中新界面过渡区的微观结构如图14所示.可以发现采用普通搅拌工艺的新界面过渡区含有大量孔隙，且结构疏松，而老界面过渡区的密实程度处于两者之间.对于采用二次搅拌工艺的新界面过渡区，其微观结构明显致密，孔隙率明显小于普通搅拌工艺的新界面过渡区.通过新界面过渡区的微观结构分析，表明采用不同搅拌工艺的再生混凝土力学性能的差异与新界面过渡区的微观结构密切相关.根据界面过渡区的研究，二次搅拌工艺可以通过改善再生混凝土中界面过渡区的微观结构，提高再生混凝土的力学性能.

(a) 再生混凝土中的老界面过渡区

(b) 普通搅拌工艺的新界面过渡区

(c) 二次搅拌工艺的新界面过渡区

再生混凝土中老界面过渡区、采用二次搅拌工艺的新界面过渡区和普通搅拌工艺的新界面过渡区的弹性模量分布特征以及概率统计分布结果如图15和图16所示.分析发现，对于再生混凝土，采用二次搅拌工艺后能够明显改善新界面过渡区的力学性能和微观结构.二次搅拌工艺和普通搅拌工艺的界面过渡区的弹性模量分布规律也存在差别.根据纳米压痕试验分析，在二次搅拌工艺的新界面过渡区中弹性模量和硬度分布波动和离散性明显较普通搅拌工艺的新界面过渡区小，二次搅拌工艺可以有效提高界面过渡区的纳观力学性能，减少了薄弱环节的出现.说明在二次搅拌工艺的界面过渡区，其力学性能接近水泥砂浆，新界面过渡区并非再生混凝土中的明显薄弱环节.由再生纳微观混凝土中界面过渡区的微观结构与界面过渡区的力学性能之间的关系，可以解释试验中有关界面过渡区的力学性能影响再生混凝土宏观力学性能这一现象.

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

5 结 论

1)采用二次搅拌工艺的再生混凝土新界面过渡区的抗压强度高于采用普通搅拌工艺的再生混凝土，且与普通混凝土的抗压强度基本一致．

2)由纳米压痕试验结果可知，采用二次搅拌工艺的再生混凝土新界面过渡区中的氢氧化钙晶体含量明显少于普通搅拌的新界面过渡区．

3)在普通搅拌新界面过渡区中，弹性模量随着距离老砂浆表面的距离增加不断降低，而二次搅拌工艺的新界面过渡区纳微观力学性能基本保持不变．

4)采用二次搅拌工艺可以改善再生混凝土新界面过渡区的微观结构和纳观力学性能，提高了再生混凝土的宏观力学性能.

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